增材制造金属材料

3D打印相关材料制备关键工艺研究和装备研制中国科学院上海高等研究院邓炜139177909092017年5月金属粉末制备新工艺第一章发展形势和基础第二章研究方案和内容第三章SUF新型超细粉磨机第四章等离子球化技术目录CONTENTS2025第三章预期成果与效益第四章支撑与保障2025中国制造第一章发展形势和基础项目背景意义1.3Ｄ打印：通过３Ｄ打印设备逐层增加材料来制造三维产品的技术．这种逐层堆积成形技术又被称作增材制造，被誉为“第三次工业革命”的核心技术。2.材料是３Ｄ打印的物质基础，也是当前制约３Ｄ打印发展的瓶颈，材料的缺乏是3D打印最难攻克的一关。3D打印最关键的不是机械制造，而是材料研发。3.金属零件3D打印技术作为整个3D打印体系中最为前沿和最有潜力的技术，是先进制造技术的重要发展方向。项目背景意义1.目前，国内3D打印耗材金属粉末制备难度大、产量小、产品性能低，国外厂家垄断市场，价格昂贵。材料成本过高使得3D打印与传统制造方法相比较，价格方面处于绝对劣势。2.目前，应用于３Ｄ打印的金属粉末材料主要有钛合金、钴铬合金、不锈钢和铝合金材料等，此外还有用于打印首饰用的金、银等贵金属粉末材料。3.国内外目前还没有形成规模化和商品化的打印用金属粉末产品。供给量远小于需求量，研制和生产3D打印用金属粉末具有十分巨大的市场潜力！4.3D打印金属粉末作为金属零件3D打印产业链最重要的一环，也是最大的价值所在。项目研究基础金属粉末制备方法物理化学法还原法机械法涡旋研磨二流雾化冷气体粉碎机械研磨旋转圆盘雾化旋转电极雾化等离子雾化电化腐蚀法气体还原气相氢还原碳还原金属热还原气相金属热还原熔盐沉淀金属蒸汽冷凝气相沉积羟基物热离解盐溶液置换溶液氢还原水溶液电解熔盐电解晶间腐蚀电腐蚀沉积法电解法1.３Ｄ打印所使用的金属粉末一般要求纯净度高、球形度好、粒径分布窄、氧含量低。2.自世纪末世纪初经过不断创新和完善，气雾化技术已成为生产高性能金属及合金粉末的主要生产方法。问题及发展趋势1.在气雾化技术中，金属粉末的形成是靠气流对金属液流的扰动和冲击使其破碎成粉末，由于气流的扰动具有统计特征，粉末的粒度分布较宽。2.在所有的雾化技术中，不管喷嘴的结构如何，气流在作用于液流前的飞行中不断膨胀，速度减小，导致雾化气体能量损失较大，影响了雾化效率。3.采用常规的金属粉末制备方法，如气雾法，合格率低，成本高。原料成本只占到10%~20%，制备工艺的成本很高。4.许多硬质材料由于熔点较高，采用气雾法难度很大，如制造高端模具的材料，目前我国还没有实质性突破。5.目前国产3D打印用金属粉末，受制粉技术所限，细粒径粉末制备困难，粉末收得率低（小于15%）、氧及其他杂质含量、球形度差、成分均匀性差以及粒度分布不佳等问题，限制着我国高端3D打印产业的进一步发展。问题及发展趋势1.研发高性能的金属零件直接制造用材料将是我国未来抢占3D打印增材制造技术战略制高点的重要手段。2.3D打印用金属粉末生产通用化和专业化。3.寻求大幅度降低金属粉末加工成本的方法。4.解决制备高熔点金属粉末的问题，并提高其品质。2025中国制造第二章研究方案和内容项目研究路线金属（合金）熔化、精炼导流管高压液（（气）流喷射金属（合金）粉末收集液（气）分离收集罐金属（合金）液滴雾化保温包（漏包）金属（合金）液滴凝固沉降干燥筛粉两种工艺路线对比项目研究路线1.整个过程采用惰性气体保护，隔绝氧气，只要保证颗粒原料的纯净即可。2.采用等离子球化所需一定个体质量的金属粉末，个体金属粉末受热均匀，只需表面液化，在表面张力的作用下，形成高质量的球体，因此球形度好，消耗能量少。3.与原先技术路线的比较，先将整个金属熔化，形成液态金属，再通过气流破碎，形成小液滴，固化成金属粉末；将整个金属破碎成金属粉末，在进行金属粉末的表面液化，球化，显然能耗小。4.由于高研院硬质材料粉磨机可将金属材料磨至10微米以下，和气雾化技术相比，粒径可以大幅度降低，引导并推动3D金属打印先进性的发展方向。2025中国制造第三章SUF新型超细粉磨机超细粉体定义及功能超细粉体（无严格定义）：从几纳米至几十微米的粉体的统称。纳米ZnO孢子粉煤粉磁性材料光、热、磁、电的性质都与常规的粗颗粒不同表现出奇特的特性小尺寸效应表面效应量子尺寸效应组成材料的基本单元超细化改善材料的性能陶瓷材料粉末冶金化工材料涂层材料药物材料超细粉制备技术超细粉体技术涉及到化工、能源、医药、生物工程、食品、军工、航天、电子、机械、材料、控制、力学、物理、化学、光学、电磁学、机械力化学、理论力学、流体力学、空气动力学等多种学科和领域，是典型的多学科交叉新领域和共性技术。制备方法物理方法化学方法粉碎法构筑法干式粉碎湿式粉碎气体蒸发法真空沉积法溅射法活化氢熔融金属反应法加热蒸发法混合等离子体法喷雾法水解法沉淀法氧化还原法喷雾水解法喷雾焙烧法喷雾干燥法共沉淀法化合物沉淀法冻结干燥法激光合成法火花放电法主要技术指标粒径大小粒径分布无团聚粒子型态化学成分能耗低粉碎法介绍粉碎法是超细粉体中最常用的方法。在金属、非金属、有机、无机、药材、食品、日化、农药、化工、电子、军工、航空及航天等行业广泛应用。破碎与磨碎方式辊压式辊碾式旋转式球磨式介质搅拌式气流式裂缝假说A∝1/√D体积假说A∝V面积假说dA=kdS高压料层粉碎理论：Br=N0/Nt(单轴受压）E=F2/2Y高硬度材料的粉碎高延性高强度实际材料中总是存在许多细小的裂纹和缺限，在外力作用下，这些裂纹和缺限附近产生应力集中现象。当应力达到一定程度时，裂纹开始扩展而导致断裂。在断裂前，要发生塑性形变，要消耗大量的能量物料的物理机械性质对破碎有直接影响，它对破碎方法的选择起决定因素。能耗低？产量大？分布窄？无杂质？新理念？SUF粉磨机的主要创新点粉碎理论创新：1.颗粒在气体中形成高频率激振、相对高速运动，产生“音爆效应”，形成的激波面压力、密度、温度等气流参数显著跃变，物料颗粒在急剧跃变的环境中，裂解破碎。2.物料颗粒之间的相互“自粉碎效应”，效率高，能耗低。SUF粉磨机的主要创新点抗磨损技术创新：机械结构耦合先进的抗磨损材料和加工手段，提高部件寿命，消除或减少产品杂质含量，满足高硬度材料的要求。合金高铬铸铁（严重）新型抗磨损材料及其磨损情况（未产生磨损）磨制SiO2硬度：1100～1200HV（煤的硬度大约250HV）等离子喷涂碳化钛及磨损情况（严重）超硬、超耐磨、超塑性SUF粉磨机的主要创新点可调分级技术：叶轮粉碎和分级功能的完美组合，粒径分布要窄，通过调整叶片和冲击板的尺寸、气流速度及背压等参数，来控制粒径的型态及大小。SUF粉磨机的应用定位气流磨延展性好球磨纯度高产量高当前采用的粉碎方法及缺陷金属及合金材料无机非金属材料粉末冶金硬质合金高产高纯、低能耗、微米级粉末增材制造（3D打印）先进磁性材料高质量超细石墨结构与功能陶瓷金属与合金涂层SUF粉磨系统组成主机：完成原料颗粒的粉碎，将合格粒径的粉末分级，通过介质气体粘滞力的作用输送出去。收料器：采用特殊风粉分离方式，收集粉末，对气体进行去湿干燥，重复利用。冷风机：将物料粉碎过程中产生的热量及时带出去，稳定系统内介质气体的温度。气体干燥器（可选设备）：保持介质气体的干燥环境，以免影响粉碎效果。补气装置：起动密封作用，及时补充系统内惰性气体，保持介质气体静压稳定。加料装置：采用调速电机控制的原料输送技术。控制、调节、保安及监控系统：设定给料量、粒径、风量、风压、温度等参数，控制加料装置、主机及风机的运行，监视转速、震动、压力等参数，在故障情况下，紧急停机。SUF粉磨机的研发情况专利信息型号功率转速产量细度(D50)应用实验-微型15KW50000r/min20-100g＜0.5m在研实验-小型7.5KW15000r/min0.1-6kg0.5-5m科研及小试工业-中型55KW6000r/min0.01-0.1T＜20m工业高附加值工业-大型285KW3000r/min0.1-1T1.5-20m工业化生产粉末磨制实例方解石煤石英SUF粉磨机的研发情况不锈钢SKD11一．SUF新型超细粉磨机可以实现1~50微米之间的金属粉末制备，耐磨层没有磨损现象，粉末纯度高，能耗远远低于其他方法，满足经济性要求。二．如要求粉末型态为球形，则需要增加球化手段。三．由于在磨制过程中，产生电荷，造成一定程度的团聚现象，可以通过增加分散手段解决。四．耦合了气流与机械研磨机理。气流与机械的完美结合。金属粉末超细粉制备-方案介绍粉末形貌最终性能微观结构粉末纯度粒度分布动静间隙内齿圈齿数齿长齿后角齿前角叶轮转速冲击版宽度冲击边缘冲击板角惰性气体保护金属粉末超细粉制备-方案介绍气体补充热量排出气体置换微正压温度含氧量湿度2025中国制造第四章等离子球化技术等离子球化技术-过程和效果改善粉末流动性提高松装、振实密度减小粉末孔隙率提高粉末密度降低粉末脆性改善粒子表面光洁度提高粉末纯度等离子球化技术-系统组成等离子炬供气系统送粉系统反应室压力测量温度测量收集室控制系统高频电源真空系统技术核心冷却系统目前具备自主制造能力，配件全国产、低成本。等离子球化技术-系统组成等离子球化与传统技术的比较雾化法：粒径粗、分布大。适合低熔点金属。等离子球化：粒径细、分布窄。适合各种金属和无机材料粉体。粉末球化实例氧化铝粉Nd-Fe-B粉末球化效果实例原粉球化粉Nd-Fe-B松装密度(g/cm3)振实密度(g/cm3)流动性(s/50g)处理前2.783.4543处理后3.794.86272025上海制造第四章预期成果与效益预期成果与效益-原始创新弥补金属粉末工业化制备的空白。金属材料介尺度理论的探索和应用。解决机械式冲击磨的超耐磨问题。开辟了3D打印金属材料制备的新方法。预期成果与效益-经济效益一．采用常规的金属粉末制备方法，如气雾法，合格率低，成本高。用于3D打印的金属粉末，不锈钢在1000元/公斤；钛合金在6000元/公斤。其中原料成本只占到10%~20%，制备工艺的成本很高，采用新工艺的利润空间很大。二．许多硬质材料由于熔点较高，采用气雾法难度很大，如制造高端模具的材料，目前还没有实质性突破，化学法成本很高，推广价值低。采用新工艺可以颠覆整个产业结构。三．特殊形貌要求，如磁性材料粉末的制备，气雾法无法满足要求，球磨法产量低，杂质含量高。采用新工艺可以降低成本，提高品质。预期成果与效益-社会效益十三五规划明确提出：1.加快突破新一代信息通信、新材料、航空航天、生物医药、智能制造等领域核心技术。2.重点突破关键基础材料、核心基础零部件（元器件）、先进基础工艺、产业技术基础等“四基”瓶颈。3.加快发展智能制造关键技术装备，强化智能制造标准、工业电子设备、核心支撑软件等基础。先进装备研究与发展中心